朱良君，王世朋，謝玉榮，趙大周

新型燃?xì)夥植际侥茉磁c數(shù)據(jù)中心耦合供能技術(shù)

朱良君，王世朋，謝玉榮，趙大周

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310030）

隨著計(jì)算機(jī)云技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段。數(shù)據(jù)中心機(jī)房具有穩(wěn)定的電負(fù)荷以及全年高冷負(fù)荷的特征，具有很高的供能可靠性，對供能系統(tǒng)也提出了較高的要求。分布式能源系統(tǒng)具有高效環(huán)保、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，通過分布式能源系統(tǒng)的梯級用能方式為數(shù)據(jù)中心供能，實(shí)行冷熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)能源的綜合配置與優(yōu)化，能夠大大提高數(shù)據(jù)中心的值。以浙江省某規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心為例，設(shè)計(jì)了一套天然氣分布式能源系統(tǒng)。進(jìn)行供能可靠性、污染物排放及綜合效益分析評價，評價結(jié)果顯示分布式能源與數(shù)據(jù)中心耦合供能相結(jié)合的技術(shù)方案，使能源站綜合能源效率達(dá)到84.5%，數(shù)據(jù)中心供能值降低至1.35，具有極好的節(jié)能減排效益。

數(shù)據(jù)中心；電能利用效率；分布式能源系統(tǒng)；云計(jì)算

在社會信息化與互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的進(jìn)程中，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代IT技術(shù)蓬勃興起，與此相對應(yīng)的各種大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生[1]。2015年政府明確指出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計(jì)劃，提出了“實(shí)施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，推進(jìn)數(shù)據(jù)資源開放共享”建議，在《軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中提出，“十三五”期間行業(yè)整體市場復(fù)合增長率超過24.5%[2]。在政策鼓舞與時代浪潮下，中國的信息技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊行業(yè)發(fā)展迅猛。2010—2017年，中國IDC市場規(guī)模從102.2億元增長到946.1億元，平均增長率為37.8%，是全球平均增長率的2倍以上[3]。數(shù)據(jù)中心的電負(fù)荷與冷負(fù)荷穩(wěn)定可靠，天然氣分布式的能源供應(yīng)多樣，燃?xì)夥植际脚c數(shù)據(jù)中心相耦合，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用，大大提高綜合能源利用率及數(shù)據(jù)中心值，使得數(shù)據(jù)中心燃?xì)夥植际匠蔀樾袠I(yè)研究熱點(diǎn)[4]。

1 數(shù)據(jù)中心供能分析

數(shù)據(jù)中心作為一種典型的高能耗大用戶，具有極高的供能穩(wěn)定性。其供能方式通常采用市電作為電源，大型集中式電空調(diào)作為冷源，但這種能源利用方式的電冷負(fù)荷均通過電力滿足需求，因此，對電負(fù)荷要求較高，嚴(yán)重依賴電網(wǎng)，能源綜合利用率較低，造成數(shù)據(jù)中心的能源利用效率較高，不利于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能[4]。

能源利用效率（Power Usage Effectiveness，）是評價數(shù)據(jù)中心能源利用效率的指標(biāo)，=數(shù)據(jù)中心全年總耗電量/IT設(shè)備全年耗電量，值大小反應(yīng)數(shù)據(jù)中心能耗情況，值越小則表明用于除IT設(shè)備以外的耗電越少，數(shù)據(jù)中心越節(jié)能[5]。數(shù)據(jù)中心的能耗主要來源為IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、照明及其他能耗，其中制冷設(shè)備能耗約占35%，如何有效地降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能耗，是降低值的關(guān)鍵[6]。

目前而言，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的綠色化水平低、能耗普遍較高，值普遍達(dá)不到綠色數(shù)據(jù)中心的要求（1.5以下）。北京、上海、天津等地方政府要求當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)的數(shù)據(jù)中心值應(yīng)在1.5以內(nèi)，降低數(shù)據(jù)中心值是新建機(jī)房的重大指標(biāo)任務(wù)。

2 天然氣分布式與數(shù)據(jù)中心耦合

天然氣分布式能源系統(tǒng)通常被稱為天然氣冷熱電三聯(lián)供，即CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），典型的天然氣分布式供能系統(tǒng)如圖1所示，天然氣與壓縮空氣在燃燒室內(nèi)燃燒，通過燃?xì)廨喕蛉細(xì)鈨?nèi)燃機(jī)膨脹做工并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，排出的高溫?zé)煔饨Y(jié)合余熱鍋爐與汽輪機(jī)、余熱吸收制冷機(jī)等余熱利用設(shè)備進(jìn)行余熱利用，為用戶提供熱負(fù)荷與冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，這樣的能源梯級利用與綜合利用方式，使得能源利用合理、能耗較小、配置靈活、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好，能夠使能源利用效率達(dá)到70%以上，同時還可以改善電源結(jié)構(gòu)，削峰填谷，提高供電安全和應(yīng)急能力[7]。

圖1 典型天然氣分布式供能系統(tǒng)

對于大型數(shù)據(jù)中心這樣的用能單位來說，其負(fù)荷特點(diǎn)是冷電需求較大，熱負(fù)荷需求較小，并且負(fù)荷波動相對較小，適合采用分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行冷電聯(lián)供。

天然氣分布式能源系統(tǒng)則完全符合數(shù)據(jù)中心這一能源特點(diǎn)，通過天然氣分布式系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供電能以及冷能，結(jié)合分布式系統(tǒng)的梯級用能方式，有效地降低了數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)能耗[8]，對提高能源的綜合利用效率具有重大意義。

3 數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求

該數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)2 397個A級數(shù)據(jù)機(jī)柜，每臺標(biāo)準(zhǔn)模塊機(jī)房機(jī)柜電量密度為5 kW/rack，擬規(guī)劃17個機(jī)房模塊，規(guī)劃設(shè)計(jì)機(jī)房占地面積約7 000 m2，分三層布置。

3.1 電負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心耗電設(shè)備分為IT設(shè)備、輔助設(shè)備、消防設(shè)備、其他設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的實(shí)際使用功率統(tǒng)計(jì)約14 910 kW，如表1所示，其他用電設(shè)備裝設(shè)功率為 2 020 kW，總計(jì)電負(fù)荷約16 930 kW，數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)荷穩(wěn)定，全年運(yùn)行時基本無較大波動。

表1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房模塊電負(fù)荷功率

機(jī)房模塊類型模塊個數(shù)每個模塊機(jī)柜數(shù)IT模塊功率密度（kW/m2）機(jī)房總面積/m2IT模塊電功率/kW其他設(shè)備電功率/kW 模塊12811.645008202 020 模塊22201.11180200 模塊3111972.55 50013 750 模塊42141.27110140 總計(jì)17——6 29014 91016 930

3.2 冷負(fù)荷分析

數(shù)據(jù)中心機(jī)房具有設(shè)備發(fā)熱量大、功率密度大、使用系數(shù)大、單位面積空調(diào)冷負(fù)荷極大、對空調(diào)系統(tǒng)的依賴性強(qiáng)以及較高的供能可靠性等特點(diǎn)。機(jī)房主要工藝設(shè)備包括電子信息設(shè)備等其他輔助設(shè)備，設(shè)備的散熱量約占總熱量的80%以上，參照包含了機(jī)房IT設(shè)備散熱及照明、人員、空調(diào)風(fēng)機(jī)等冷負(fù)荷，冷負(fù)荷合計(jì)為16 022 kW。

表2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房模塊冷負(fù)荷

機(jī)房模塊類型模塊個數(shù)IT冷負(fù)荷/kW總空調(diào)負(fù)荷/kW其他冷負(fù)荷/kW 模塊124559102 640 模塊22128256 模塊3111 08011 880 模塊42168336 合計(jì)17—13 38216 022

4 能源站建設(shè)方案

4.1 能源站裝機(jī)方案

能源站裝機(jī)根據(jù)負(fù)荷需求及數(shù)據(jù)中心負(fù)荷等級和分類要求，擬建設(shè)4套4.3 MW級的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組及配套煙氣熱水型溴化鋰制冷機(jī)組，輔以電制冷機(jī)組備用，以及其他配套設(shè)施。系統(tǒng)主要設(shè)備內(nèi)燃機(jī)功率為4.3 MW，效率為44.1%，排氣溫度為405 ℃；煙氣熱水型溴化鋰制冷量為4.13 MW，冷凍水額定出入口溫度為7/12 ℃；單臺離心式冷水機(jī)組制冷量為4.22 MW。

數(shù)據(jù)中心分布式能源系統(tǒng)供應(yīng)流程如圖2所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷、電負(fù)荷特點(diǎn)，以內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組作為主體設(shè)備，發(fā)電供能源站及數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用，為機(jī)房IT設(shè)備供電。

以內(nèi)燃機(jī)高溫?zé)煔庥酂岷透邷馗滋姿疄闊嵩?，利用煙氣熱水溴化鋰機(jī)組作為制冷設(shè)備制取冷能，結(jié)合離心式冷水機(jī)組為數(shù)據(jù)中心提供冷卻水。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)連接，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)組出力不足，滿足不了數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷需求時，市電及時補(bǔ)充，以保證數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2 數(shù)據(jù)中心分布式能源系統(tǒng)供應(yīng)流程圖

4.2 能源站運(yùn)行方案

能源站運(yùn)行方式——燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組作為主要電力設(shè)備，4臺機(jī)組同時運(yùn)行，平均負(fù)荷率在98%左右，溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)機(jī)房提供冷能，在檢修或突然停機(jī)等突發(fā)事故時，切換至市電進(jìn)行供電并啟動電制冷機(jī)為數(shù)據(jù)中心提供冷能，保證數(shù)據(jù)中心供能穩(wěn)定性。能源站技術(shù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)如表3所示，全年機(jī)組等效運(yùn)行為7 155 h，熱電比達(dá)0.946，綜合能源利用效率為84.48%。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 投資估算

本數(shù)據(jù)中心能源站擬建設(shè)4套4 300千瓦級內(nèi)燃機(jī)組、溴化鋰機(jī)組及離心冷水機(jī)組，能源站包括內(nèi)燃機(jī)組、溴化鋰機(jī)組及配套冷凍冷卻水系統(tǒng)、離心冷水機(jī)組及配套冷凍冷卻水系統(tǒng)、站房、室外冷凍水管道、補(bǔ)給水系統(tǒng)設(shè)施等。項(xiàng)目計(jì)劃總資金（含數(shù)據(jù)機(jī)房建筑）為18 435.2萬元，單位投資10 718元/千瓦時，投資估算表如表4所示。

表3 能源站運(yùn)行指標(biāo)

參數(shù)類別數(shù)值 裝機(jī)規(guī)模/kW17 200 運(yùn)行機(jī)組臺數(shù)/臺4 天然氣熱值/（kJ/m3）33 300 全年等效運(yùn)行小時/h8 504 全年供電量/萬千瓦時14 397 全年供冷量/萬千瓦時13 625 全年天然氣年消耗量/萬立方米3 017 熱（冷）電比0.946 綜合能源利用效率/（%）84.5

表4 能源站系統(tǒng)投資費(fèi)用概算

費(fèi)用名稱萬元 建筑工程2 267.52 設(shè)備購置11 168.08 安裝工程3 248.32 其他費(fèi)用1 751.36 總計(jì)18 435.2

5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

新建燃?xì)夥植际侥茉凑竟┠芘c采用市電供能方式相比，用能成本經(jīng)濟(jì)性以及降低數(shù)據(jù)中心值方面均具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 采用分布式與市電用能成本分析

參數(shù)項(xiàng)目市電供能燃?xì)夥植际?市電供能 全年耗電量/萬千瓦時17 803.314 397.0 IT設(shè)備/萬千瓦時10664.410 664.4 尖峰段電量/萬千瓦時1 483.8— 峰段電量/萬千瓦時8 904.2— 谷段電量/萬千瓦時7 415.3— 冷量/萬千瓦時—14 397 尖峰段電價/（元/千瓦時）1.044— 峰段電價/（元/千瓦時）0.865 4— 谷段電價/（元/千瓦時）0.392 4— 冷價/（元/千瓦時）0.366— PUE值1.671.35 用能成本/萬元12 1659 746 單位用能成本/（元/千瓦時）0.683 30.676 9

采用燃?xì)夥植际綖閿?shù)據(jù)中心供能，數(shù)據(jù)中心值與采用傳統(tǒng)市電相比，市電供能值為1.67，而采用燃?xì)夥植际焦╇娍梢詫⒅到档椭?.35；在供能成本方面，由于燃?xì)夥植际骄C合利用效率達(dá)84.48%，實(shí)現(xiàn)了能量梯級利用，大大提高了能源利用率，單位供能成本僅0.676 9元/千瓦時，低于市電供能成本0.683 3元/千瓦時。

5.3 節(jié)能效益分析

數(shù)據(jù)中心采用燃?xì)夥植际竭M(jìn)行供能，能耗穩(wěn)定，負(fù)荷波動較小，裝機(jī)匹配合理，使得該分布式能源系統(tǒng)能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益；同時由于分布式供能的特殊性，其不再完全依賴于電網(wǎng)直供電，有效提高了數(shù)據(jù)中心用電用冷的可靠性；清潔能源的使用使每年標(biāo)煤使用量減少61 800 t，減少粉塵排放14 100 t，減少二氧化硫排放2 300 t，減少二氧化碳排放170 000 t，節(jié)能減排效果明顯；天然氣分布式與數(shù)據(jù)中心耦合供能方式為城市打響“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”有極大促進(jìn)作用，有效減小對大氣的影響。

6 結(jié)論

天然氣分布式能源系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心供能耦合供能方式能有效促進(jìn)節(jié)能減排。采用天然氣作為能源，因地制宜地在負(fù)荷中心建設(shè)能源站，具備典型的樓宇天然氣分布式能源站的特征，能夠?qū)崿F(xiàn)能源梯級利用，大大提高能源效率，降低輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)損，提高數(shù)據(jù)中心供能的可靠性，具有很好的節(jié)能減排作用。采用天然氣作為清潔能源，與傳統(tǒng)煤電相比，大大減少原煤消耗，降低SO2的排放量和煙塵排放量，大大改善了當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)。該分布式能源站采用冷熱聯(lián)供方式，數(shù)據(jù)中心具備穩(wěn)定冷源與電源，能源綜合利用效率可以達(dá)到84.5%，數(shù)據(jù)中心值低至1.35，節(jié)能減排綜合效益明顯。

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F726

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.008

2095－6835（2020）02－0029－03

朱良君，男，安徽宿松人，初級工程師，研究方向?yàn)橛酂岣咝Ю?、分布式能源、綜合能源服務(wù)。

〔編輯：張思楠〕